钾镁水平对甘蔗主要矿质营养吸收和分配的影响

黄莹 周文灵 陈迪文 沈大春 方界群 凌秋平 卢颖林 江永 敖俊华

摘要：【目的】探讨不同钾镁水平对甘蔗主要矿质营养吸收和分配的影响，为甘蔗生产中钾、镁肥的合理施用提供理论依据。【方法】以粤糖09-13为供试材料，采用盆栽沙培试验，在营养液不同钾水平（K1：0.10 mmol/L、K2：3.00  mmol/L、K3：6.00 mmol/L）和鎂水平（Mg1： 0.01 mmol/L、Mg2：0.50 mmol/L、Mg3：2.00 mmol/L）条件下进行培养，收获时测定甘蔗各组织部位的干物质量及氮、磷、钾和镁含量，分析植株矿质营养的吸收和分配特性。【结果】营养液钾、镁水平显著影响甘蔗植株叶片、茎和根中的氮、磷、钾和镁含量（P<0.05，下同），随钾、镁水平的升高，植株干物质量及氮、磷、钾吸收积累量显著增加，但K2与K3水平间、Mg2与Mg3水平间差异均不显著（P>0.05）。镁的吸收积累量随钾水平的升高而显著降低，随镁水平的升高而显著升高。钾、镁交互效应对甘蔗的茎干物质量、叶片磷吸收量和全株钾吸收量均有显著影响。较高的钾、镁水平可显著提高干物质及氮、磷、钾在甘蔗茎中的分配率，低钾水平则显著增加干物质在甘蔗根系中的分配。【结论】钾、镁水平及其交互效应可显著影响甘蔗养分的吸收、转运和分配。钾抑制镁向甘蔗地上部的转运，镁对钾的运输则无显著影响。在甘蔗生产中施钾肥的同时要重视镁素营养的补给。

关键词： 甘蔗;钾;镁;吸收;分配

中图分类号： S566.106.2                             文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2019）08-1695-06

Effects of potassium and magnesium supply on main mineral nutrition absorption and distribution of sugarcane

HUANG Ying， ZHOU Wen-ling， CHEN Di-wen， SHEN Da-chun， FANG Jie-qun，

LING Qiu-ping， LU Ying-lin， JIANG Yong， AO Jun-hua*

（Guangdong Provincial Bioengineering Institute（Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute）/

Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement & Biorefinery， Guangzhou  510316， China）

Abstract：【Objective】Effects of potassium and magnesium supply on main mineral nutrition absorption and distribution of sugarcane were studied to provide theoretical basis for the rational application of potassium and magnesium fertili-zers in sugarcane production. 【Method】A spot experiment with sand culture was conducted to analyze the dry matter and nitrogen（N），phosphorus（P），potassium（K），magnesium（Mg） contents in different organs of sugarcane variety Yuetang 09-13 and investigate the effects of potassium and magnesium interaction on absorption and distribution of N，P，K and Mg nutrients in sugarcane under different K levels（K1：0.10 mmol/L， K2：3.00 mmol/L and K3：6.00 mmol/L） and Mg levels（Mg1： 0.01 mmol/L， Mg2：0.50 mmol/L and Mg3：2.00 mmol/L）. 【Result】The supply levels of K and Mg had significant influence on the N，P，K and Mg content in leaves， stems and roots of sugarcane（P<0.05， the same below）. With increases of K and Mg level in the nutrient solution，the dry matter and the uptake of N，P，K in plant were significantly raised，but there was no significant difference between K2 and  K3 levels  and between  Mg2 and  Mg3 levels（P>0.05）. The absorption of Mg decreased significantly with the increase of K level and increased significantly with the increase of Mg level. The interaction effect of K and Mg（K×Mg） had significantly affected dry matter，phosphorus uptake in leaves and potassium uptake in total plant. Higher K and Mg levels significantly increased the distribution of dry matter and N，P and K in stems，while lower K levels significantly increased the distribution of dry matter in roots. 【Conclusion】K and Mg levels and their interaction can affect nutrient uptake， transport and distribution of total plant. K inhibits the transport of Mg from root to the shoot in sugarcane，while Mg has no effect on the transport of K. It is necessary to pay attention to the supply of Mg nutrition while applying K in sugarcane production .

Key words： sugarcane; potassium; magnesium; absorption; distribution

0 引言

【研究意義】镁是植物生长发育所必需的中量元素，是叶绿素的组成成分，也是很多酶的活化剂，参与能量代谢，对提高作物产量具有重要作用（汪洪和褚天铎，1999）。甘蔗是我国南方最重要的经济作物之一，主要种植在海南、广西、广东和云南等南方酸性土壤地区，由于土壤淋溶作用强烈，导致这些地区的土壤有效镁含量严重不足，同时因大量偏施氮、磷、钾肥，镁肥补充不足，加剧了土壤中镁的亏缺。甘蔗缺镁可导致叶绿素含量下降，显著降低光合产物从“源”到“库”的运输速率，影响甘蔗糖分的转运和积累，限制甘蔗产量和品质的提高。增施镁肥可促进甘蔗生长、提高甘蔗产量和糖分（刘少春等，2009;王亚彪等，2016）。钾是植物生长发育所必需的大量营养元素之一，在植物体中参与多种代谢活动（Ahmad and Maathuis，2014）。研究表明，甘蔗需钾量最大，钾有利于提高甘蔗产量和增强甘蔗抗逆性（陈迪文等，2017）。但植物体内的钾和镁具有拮抗作用，二者比例合适才有利于促进植物生长，提高作物产量及改善其品质。因此，探讨钾和镁对甘蔗生长及矿质营养状况的影响，对实际生产中钾、镁肥的合理施用及促进甘蔗生长并提高品质具有重要意义。【前人研究进展】钾、镁水平及二者互作效应在作物生长发育和养分吸收利用方面发挥重要作用。李永忠等（2002）研究发现，供镁能促进烟株对氮的吸收，有助于K/（Ca+Mg）值的提高，提升烟叶品质。李雪梅和杨修立（2004）研究表明，在缺钾、缺镁的酸性红壤上合理配施钾、镁肥，可促进玉米对钾的吸收，玉米增产效果明显。何盈和李延（2005）研究发现，钾和镁的互作效应明显，镁供应浓度较低时，适量施钾可提高龙眼的生物量，但施钾过多导致生物量降低。姚丽贤等（2005）研究表明，当土壤镁素营养充足时，在香蕉种植生产中即使大量施钾也无需配施镁肥。张丽等（2015）研究发现，越冬期大量施钾可显著增加油菜对钾的吸收而抑制对镁和钙的吸收。马晓丽等（2017）研究表明，施镁促进了缺镁葡萄的生长，显著增加叶片和果实的镁含量，并促进叶片和果实中钙、钾和锰的吸收积累。张森等（2018）研究发现，烤烟品质受土壤有效镁、速效钾交互作用影响较大，应以钾定镁，使用不同施肥措施避免造成两者发生拮抗作用。【本研究切入点】目前，关于钾、镁及其交互效应对甘蔗植株矿质营养状况影响的研究尚无报道。【拟解决的关键问题】采用盆栽沙培试验，分析甘蔗在不同钾、镁水平营养液处理下的干物质积累和各组织养分吸收差异，探讨甘蔗植株对矿质营养的吸收和分配特性，为甘蔗生产中钾、镁肥的科学配合施用提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试甘蔗品种为粤糖09-13，由广州甘蔗糖业研究所海南甘蔗育种场育成。供试化学试剂均为国产分析纯，购自广州化学试剂厂和天津市大茂化学试剂厂。

1. 2 试验方法

试验于2017年2—10月在广东省生物工程研究所（广州甘蔗糖业研究所）温室内进行。采用沙培方式，基质为经高压灭菌后的洁净河沙。将甘蔗种茎砍成长短一致的单芽茎段，摆放于已装有河沙的育苗盘内进行育苗，待出苗长至4～5片叶时移栽至盛有洁净河沙的塑料盆钵中，每个塑料盆（高25 cm、直径22 cm）装河沙5 kg（干重），每盆定植1株。采用改进的1/2霍格兰营养液配方，其中含NH4NO3 0.280 g/L、NH4H2PO4 0.057 g/L、CaCl2 0.227 g/L、Na2SiO3·9H2O 0.057 g/L、 MnCl2·4H2O 1.81 mg/L、ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L、CuSO4·5H2O 0.08 mg/L、H3BO3 2.86 mg/L、（NH4）6Mo7O24·4H2O 0.20 mg/L。保持原配方中其他元素含量一致，用硫酸钾、硫酸镁调整营养液中钾和镁元素水平。根据本课题组前期试验结果，将钾元素设3个水平，分别为K1（0.10 mmol/L）、 K2（3.00 mmol/L）和K3（6.00 mmol/L）;镁元素设3个水平，分别为Mg1（0.01 mmol/L）、Mg2（0.50 mmol/L）和Mg3（2.00 mmol/L），其中K1、Mg1分别为低钾、低镁水平， K2、Mg2为1/2霍格兰营养液配方标准钾、镁水平，K3、Mg3分别为高钾、高镁水平。试验共9个处理，4次重复。于2017年4月10日开始试验，先用1/4浓度的营养液预培养一周，再用1/2浓度的营养液预培养一周，第3周开始进行各处理全量浓度相应营养液培养直至10月17日收获。培养期间，营养液蒸发后使用纯水浇淋至水位线（1 L），每隔6 d更换一次营养液，用0.1 mol/L的NaOH和HCl调节pH至6.0。每20 d用去离子水洗盐一次，以免盐分积累影响试验。

1. 3 测定项目及方法

试验收获时将植株鲜样分为根、茎、叶3部分，于105 ℃烘箱杀青30 min，70 ℃烘干至恒重，称重。干样研磨粉碎后，准确称取样品0.2 g，以硫酸—过氧化氢消煮至澄清，采用连续流动分析仪测定全氮和全磷（黄莹等，2017），采用火焰分光光度计测定全钾（鲍士旦，2000）;另准确称取0.5 g样品以硝酸—高氯酸消煮至澄清，采用原子吸收火焰分光光度计测定全镁（李雪峰等，2015）。计算单株干物质量、干物质分配率及养分积累量。

单株干物质量（g）=根干物质量（g）+茎干物质

量（g）+叶干物质量（g）

干物质分配率（%）=某部位干物质量（g）/单株

干物质量（g）×100

养分吸收量=养分含量×干物质量

养分分配率（%）=某部位养分吸收量/单株养分

吸收量×100

1. 4 统计分析

试验数据采用Excel 2007和SPSS 22.0进行统计分析和作图，以Duncan’s新復极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2. 1 钾镁水平对甘蔗各部位干物质积累和分配的影响

由表1可知，与K1相比，K2和K3处理显著提高了甘蔗叶、茎、根的干物质量和全株干物质量（P<0.05，下同），但K2与K3处理间差异不显著（P>0.05，下同）;K2和K3处理的干物质在甘蔗茎中的分配率较K1处理分别提高25.9%和16.5%，而在根系的分配率显著降低30.1%和29.5%。与Mg1相比，Mg2和Mg3处理也显著提高了甘蔗叶、茎、根的干物质量和全株干物质量，但Mg2与Mg3处理间差异不显著;Mg2和Mg3处理的干物质在甘蔗茎中的分配率较Mg1处理分别显著提高158.1%和171.8%，在叶片中的分配率则显著降低24.5%和25.7%。方差分析结果表明，钾镁互作显著影响甘蔗茎的干物质量（P=0.020）及干物质在叶片和根系中的分配率（P=0.018和P=0.003）。

2. 2 钾镁水平对甘蔗各部位氮素吸收特性的影响

由表2可知，甘蔗各部位全氮含量整体上随钾、镁水平的升高而降低，但钾对甘蔗根系、镁对甘蔗茎的全氮含量影响均不显著。甘蔗植株对氮的吸收量整体上随钾、镁水平的升高而增加，但K2与K3处理、Mg2与Mg3处理的差异不显著。较高的钾、镁水平可提高氮素在甘蔗茎中的分配率，K2、K3处理较K1处理分别提高34.1%和26.39%，Mg2、Mg3处理较Mg1处理分别提高132.0%和148.4%，而较高的镁水平会显著降低氮素在甘蔗叶片中的分配率。方差分析结果表明，钾镁互作对植株氮含量、氮吸收量和氮在各组织部位的分配率均无显著影响。

2. 3 钾镁水平对甘蔗各部位磷素吸收特性的影响

由表3可知，除钾水平对甘蔗根系全磷含量无显著影响外，甘蔗各部位全磷含量整体上随钾、镁水平的升高而降低，但K2与K3处理、Mg2与Mg3处理无显著差异。甘蔗植株对磷的吸收量整体上随钾、镁水平的升高而显著增加，K2、K3处理植株磷吸收量分别较K1处理提高80.4%和64.9%，Mg2、Mg3处理分别较Mg1处理提高80.4%和98.2%。较高的钾、镁水平可提高磷素在甘蔗茎中的分配率，K2、K3处理较K1处理分别提高35.0%和31.9%，Mg2、Mg3处理较Mg1处理分别提高70.7%和86.5%。但较高的钾、镁水平显著降低磷素在叶片中的分配率，对磷素在根系中的分配率无显著影响。方差分析结果表明，钾镁互作显著影响甘蔗叶的磷吸收量（P=0.005）。

2. 4 钾镁水平对甘蔗各部位钾素吸收特性的影响

由表4可知，甘蔗各部位钾含量随钾水平的升高而显著增加;叶片和甘蔗茎的钾含量整体上随镁水平的升高而降低，但根系钾含量的变化趋势相反。除镁水平对叶片的钾吸收量无显著影响外，甘蔗各部位钾吸收量均随钾、镁水平的升高而显著增加。此外，较高的钾、镁水平可显著提高钾素在甘蔗茎中的分配率，K2、K3处理较K1处理分别提高38.7%和37.5%，Mg2、Mg3处理较Mg1处理分别提高166.3%和197.8%;但较高的钾、镁水平显著降低了钾素在叶片中的分配率，对根系中钾素的分配率无显著影响。方差分析结果表明，钾镁互作显著影响甘蔗茎的钾吸收量和全株钾吸收量（P<0.001和P=0.042）。

2. 5 钾镁水平对甘蔗各部位镁素吸收特性的影响

由表5可知，除钾水平对甘蔗根系镁含量无显著影响外，甘蔗各部位镁含量均随钾水平的升高而降低，随镁水平的升高而显著升高。甘蔗根系对镁的吸收量整体上随钾水平的升高而升高，而甘蔗叶片和全株的镁吸收量随钾水平的升高而降低。甘蔗各部位的镁吸收量随镁水平的升高而显著增加。钾水平对镁素在甘蔗各部位的分配率均无显著影响，而较高的镁水平可显著提高镁素在甘蔗茎中的分配率，Mg2、Mg3处理分别较Mg1处理提高87.9%和94.1%，但显著降低镁素在根系中的分配率。方差分析结果表明，钾镁互作显著影响甘蔗叶和茎的镁含量（P<0.001和P=0.001）。

3 讨论

镁对维持叶绿体结构有重要作用，可参与光合作用、酶的活化、蛋白质合成及活性氧代谢等一系列生理过程（李娟，2007），因此，充足的镁素供应有利于甘蔗增加光合产物积累，促进植株生长，进而促进对氮、磷、钾、镁元素的吸收。本研究发现，不同钾、镁水平显著影响甘蔗对矿质营养的吸收和积累，较高的钾、镁水平可显著促进甘蔗各部位干物质量的积累，且钾、镁间存在显著交互效应，但当钾水平由3.00 mmol/L升高至6.00 mmol/L、镁水平由0.50 mmol/L升高至2.00 mmol/L时，甘蔗植株的干物质重差异并不显著，说明甘蔗对钾、镁可能存在奢侈吸收，过高的钾、镁水平并不会持续增加甘蔗的干物质积累。因此，甘蔗生产中应合理施用钾肥和镁肥，并重视钾、镁肥的互作效应，以减少资源浪费。

本研究结果表明，较高的钾、镁水平显著提高甘蔗干物质和氮、磷、钾在茎中的分配率，较高的镁水平还提高镁素在茎中的分配率。究其原因可能与钾、镁营养直接参与光合作用，促进光合同化物的运输和分配有关（袁剑龙等，2018）。营养光合器官向贮藏器官的输出对作物产量和品质有重要作用（李俊等，2012）。蔗茎具有输导水分、养分及贮藏蔗糖分的作用，蔗茎生长量的增加是产量形成的基础。当镁、钾供应不足时，甘蔗氮、磷、钾元素则优先转运到叶片中，特别是在甘蔗生长前期，叶片养分最多，有利于叶片生长以增加光合面积，进而促进甘蔗生长（李奇伟，2000），本研究也证实了这一结论。同时，本研究发现钾、镁水平对氮、磷、钾元素在根系中的分配率无明显影响，但低钾（K1）处理增加了干物质在根系中的分配，表明甘蔗在低钾胁迫时，植株生长虽受到抑制，但根系受影响程度较小，可能是植株对低钾胁迫的一种适应性反应，通过促进根系的生长以保障营养物质的积累和养分的运输（袁剑龙等，2018）。

目前，关于镁对钾的作用存在不同看法。丁玉川等（1998）在水稻上的研究发现，在高镁浓度下，植株对钾元素的吸收有促进作用。李永忠等（2002）在烤烟上的研究结果表明，在不同供镁水平下，钾与镁之间存在拮抗作用。Swift等（2007）、王千等（2012）研究认为，营养液中镁水平较低时，适当提高Mg2+浓度对钾元素的吸收表现为促进作用，当Mg2+浓度过高时，则抑制钾的吸收。Hermans等（2010）研究表明，拟南芥缺镁时，植株根系和幼嫩叶片的钾浓度降低。本研究发现，提高供镁水平，虽降低了甘蔗叶片和茎中的钾浓度，但甘蔗植株对钾元素的吸收显著增加。说明镁对钾的运输几乎无影响，甘蔗植株地上部钾浓度的降低可能是由稀释效应所引起。当提高介质中某一营养元素供应浓度时，会使该元素含量增加且促进植物生长，但对其他稳定供应营养元素的含量产生相对稀释作用，使其在植物体内的浓度降低（彭少麟，2003）。植物对钾元素的吸收在不同供镁水平下存在差异，可能是植物种类或生长条件的不同所致。

前人研究表明，介质中钾浓度的增加对镁元素从介质进入植物根系无显著影响，却显著抑制植株地上部对镁元素的吸收，故认为钾和镁拮抗的作用机制在根系向地上部转运阶段（张竹青和鲁剑巍，2003）。本研究也发现，钾抑制了镁向甘蔗地上部的运输，因为提高营养液的供钾水平，甘蔗植株地上部镁含量和镁吸收量显著下降，而对根系镁的浓度和吸收无明显影响，究其原因可能是镁元素主要参与光合作用（Hermans et al.，2013），根系中的Mg2+浓度相对稳定。而离子间的这种竞争行为，除了竞争质外体结合位点外（Grauer et al.，1992），还可能与竞争某些转运体有关（Horie et al.，2011）。

4 结论

钾、镁水平及其交互效应可显著影响甘蔗养分的吸收、转运和分配。从钾、镁相互关系来看，钾抑制镁向甘蔗地上部的转运，镁对钾的运输则无显著影响。在甘蔗实际生产中要注重钾和镁的科学配施，施钾肥的同时要重视镁素营养的补给。

致谢：感谢镁素营养研究中心和国际镁营养研究所对本研究工作的资助和支持！

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（責任编辑 王 晖）